碳化硅MMIC上的氮化镓：高功率AESA雷达设计

氮化镓（GaN）在碳化硅（SiC）衬底上实施时，特别适用于雷达等高功率应用。在这里，基于碳化硅氮化镓技术的单片微波集成电路（MMIC）促进了射频功率放大器中常用的砷化镓（GaAs）或横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）无法实现的带宽。

除了导致更高的输出频率范围外，对于地面雷达来说，这是一个关键的设计考虑因素，地面雷达越来越多地使用有源电子扫描阵列（AESA）技术，以在更小的封装中封装更高的功率。矩阵节点格式的固态设计使AESA能够提供更宽的视野，从而提高准确性和可靠性。

使用多个发射器意味着可以控制视野以提高雷达探测和精度。此外，这种矩阵状设计通过促进优雅的退化来增强可靠性。

下面详细介绍了 AESA 拓扑的优势，以及 SiC MMIC 上的 GaN 如何实现 AESA 设计承诺。

AESA 雷达设计

基于AESA的雷达设计支持多种模式来执行各种任务，例如真实波束映射，空对空搜索和跟踪;它们还允许在节点之间分配任务。AESA 拓扑使用数百个彼此独立运行的节点，这反过来又有助于实现没有单点故障的冗余系统。

此外，单个脉冲内的AESA系统可以在宽带上的多个频率下工作，与传统雷达系统相比，这使得干扰尝试更加困难。AESA系统可以随机顺序快速改变频率和脉冲宽度，这一事实也降低了雷达预警接收器（RWR）探测到的机会。

然而，与此同时，AESA系统需要更高水平的集成，以促进放置在单个封装中的多个阶段。这是为了提高单个元件的增益，并消除对RF链中多个组件的需求。

首先，这要求使用更小的封装来降低热量产生并提高能源效率。接下来，RF器件必须允许每个节点更高的功率，以扩大频率范围并降低系统复杂性。在这里，SiC 上的 GaN 器件符合 AESA 拓扑的特定应用封装要求。

氮化镓在碳化硅上的优点

需要注意的是，虽然在雷达等高功率RF设计中使用单个电压非常有益，但采用高功率设计的传统雷达系统通常采用在不同电压下工作的多个级。

在这里，SiC上的GaN解决方案结合了多个器件，以实现地面AESA系统的整体功率目标。以Wolfspeed的CMPA5259050F为例，它是专门为AESA雷达设计而设计的。它采用紧凑的 0.5 × 0.5 英寸封装，可将多个设备并排放置。

用于雷达功率放大器的MMIC工作电压为28 V，使用有限元分析对所有热参数进行建模。这反过来又带来了强大的脉冲能力和连续波（CW）操作。与SiC晶体管上的竞争GaN相比，每节点的功率更高，这也增强了范围并降低了系统复杂性。

更重要的是，它可以在225°C的结温下工作，而LDMOS和GaAs器件的结温为150°C，硅基氮化镓器件的结温为200°C。CMPA5259050F的工作温度比竞争的硅基氮化镓器件高25°C，从而产生更大的热裕量，并显著提高效率和可靠性。热效率还导致 MTTF 为 10 年。

Wolfspeed凭借其SiC雷达上的GaN获得了美国国防部制造准备等级8的称号。此外，与市场上其他碳化硅氮化镓产品相比，CMPA5259050F具有更具体的优势。

狼速射频模型

CMPA5259050F晶体管在雷达设计中具有以下三个关键优势。首先，虽然许多雷达设计人员依靠行业模型来实现一次性成功，但 Wolfspeed 在内部使用相同的模型来设计应用夹具。这使得雷达设计人员能够快速确定设计是否满足他们的需求，并将电路板调整到所需的频率。

Wolfspeed 还为 AWR 设计套件中的所有应用夹具提供设计文件。所有仿真文件、gerber、原理图和BOM都可用于参考设计，以快速复制、调谐和调试电路。这些文件通常使用 Modelithics 库，因此设计人员可以使用供应商网站上的标准 s 参数文件替换它们，以防他们无法访问这些文件。

一次通过设计

制造工艺优势，加上使用工艺设计套件 （PDK） 的内部设计的可用性，增强了一次性设计成功的承诺。再加上设计协助和测试支持，雷达系统开发人员也能够执行更快的设计周期。

这些是宽带隙（WBG）半导体技术的关键优势，该技术不断发展，并在更小、更轻、更可靠的设计中向更高的功率密度发展。

审核编辑：郭婷